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Journal of Tropical Oceanography >

2021 , Vol. 40 >Issue 3: 44 - 56

DOI: https://doi.org/10.11978/YG2020013

Review

Recent research advances on multi-scale coastal wave and current characteristics of coral reefs and islands

  • ZHENG Jinhai , 1, 2 ,
  • SHI Jian 1, 2 ,
  • CHEN Songgui 3
Expand
  • 1. Key Laboratory of Ministry of Education for Coastal Disaster and Protection, Hohai University, Nanjing 210024, China
  • 2. College of Harbour, Coastal and Offshore Engineering, Hohai University, Nanjing 210024, China
  • 3. Tianjin Research Institute for Water Transport Engineering, Ministry of Transport, Tianjin 300456, China
ZHENG Jinhai. email:

Copy editor: LIN Qiang

Received date: 2021-01-08

  Request revised date: 2021-02-21

  Online published: 2021-02-21

Supported by

National Science Fund for Distinguished Young Scholars(51425901)

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Copyright reserved © 2021. Office of Acta Agronomica Sinica All articles published represent the opinions of the authors, and do not reflect the official policy of the Chinese Medical Association or the Editorial Board, unless this is clearly specified.
Fold

Abstract

The coasts of coral reefs and islands are characterized with very complex wave-current dynamics, unique morphology and largely unknown engineering responses, where wave transformation and wave-induced currents have significant impacts on the infrastructure safety, morphological evolution, disaster prevention, and eco-environmental protection. Recent research advances on these topics are reviewed with respect to three spatial scales, e.g., the large-scale long-wave guiding and trapping, the medium-scale hydrodynamics in a reef-lagoon-channel system, and the local wave-structure interaction. This paper includes the descriptions of, specifically, theoretical findings of guided and trapped waves over ocean ridges and around reef islands, two-dimensional horizontal wave basin experiment of a reef-lagoon-channel system, and new methods to estimate wave overtopping and forces on the seawall based on a large-scale wave flume experiment. Further research prospects are also suggested.

Key words： coral reef and island; wave and current dynamics; trapped wave; reef-lagoon-channel system; wave protection structures

Cite this article

ZHENG Jinhai , SHI Jian , CHEN Songgui . Recent research advances on multi-scale coastal wave and current characteristics of coral reefs and islands[J]. Journal of Tropical Oceanography, 2021 , 40(3) : 44 -56 . DOI: 10.11978/YG2020013

珊瑚岛礁广泛分布于“一带一路”沿线的热带和亚热带地区, 不仅拥有丰富的生物、矿物和旅游资源, 也是海洋资源开发和海洋权益保障的重要支点。珊瑚岛礁海岸的礁前地形陡变, 通过礁冠与相对平坦的礁坪相连。波浪在礁冠附近发生剧烈破碎和能量耗散, 在礁坪上的浅水传播过程中也伴随着显著的底床糙率摩阻能量耗散, 同时产生波浪增水和波生流。因此, 礁冠和礁坪的存在对于保护珊瑚岛礁海岸免受风暴浪侵袭发挥了重要作用。随着全球气候变化和人类活动增强, 风暴频发、珊瑚礁退化和众多工程建筑物的修建使得珊瑚礁的消浪减灾功能减弱, 复杂的波流运动对岛礁海岸及其建筑物稳定性和安全性的影响也日益受到关注。同时, 珊瑚岛礁海岸的波浪和波生流也是珊瑚砂和营养物质输运的主要驱动力, 对沉积地貌演变和生态系统稳定具有重要影响。
珊瑚岛礁海岸独特的地形地貌决定了波浪传播变形、水流分布、水位变化和建筑物响应呈现与传统海岸迥异的规律特性, 珊瑚岛礁工程建设也带来许多新的海岸动力学问题。孙家文 等(2018)在介绍岛礁地貌特征的基础上, 总结了岛礁海域近岸水动力学中波能耗散、礁坪增水、低频长波、波生流等方面的研究进展。姚宇(2019)从现场观测、理论模型、物理模型试验和数值模型4个方面综述了珊瑚礁海岸水动力学研究进展, 并讨论了观测对象、模拟方法和实验设备等方面的不足。这些文献综述针对的是无工程防护的天然珊瑚岛礁, 主要着眼于岛礁局部岸段的水动力过程, 侧重于垂直于岸线方向的珊瑚礁陡变地形上的波浪传播变形及其引起的增水和波生流运动特性。
近年来, 随着珊瑚岛礁港口航道与海岸工程安全保障、岛礁海岸防灾减灾和生态保护修复需求的迅速增长, 以及解析理论和实验室模拟技术的进步, 珊瑚岛礁海岸波流运动特性研究开始呈现出多空间尺度的发展趋势。例如, 从局部岸段的波流场分析研究拓展到整个岛礁周边海域的大范围海脊波浪传导和沿岛波浪俘获研究(空间尺度为几公里至几十公里), 有助于更全面认识岛礁海岸水灾害的形成演化和作用特性并制定有效的减灾措施; 从水平一维(1DH)岛礁断面地形上的水动力过程研究拓展到水平二维(2DH)的礁坪-潟湖-裂口系统波流运动特性研究(空间尺度为几百米至几公里), 为准确掌握珊瑚岛礁海岸的物质输运、地形演变和港口航道稳定性提供理论支撑; 从针对天然无防护岛礁的研究深入到填海造陆工程建设后的筑堤珊瑚岛礁波流-建筑物相互作用研究(空间尺度为几米至几百米), 为岛礁海岸防浪建筑物的合理设计和安全维护提供必要的科学依据。因此, 本文针对上述三种不同的空间尺度, 分别从大范围大洋海脊导波与岛礁波浪俘获、中等尺度的礁坪-潟湖-裂口系统波流特性、建筑物前沿的局部波流特性及结构响应等三个方面, 总结近年来珊瑚岛礁海岸波流运动特性研究的新进展。

1 大范围大洋海脊导波与岛礁波浪俘获

地震、海底滑坡及火山喷发所产生的海啸, 以及由气象长波所引起的长周期波浪在珊瑚岛礁周围的分布都影响着岛礁安全。到达岛礁周围的长周期波浪的大小, 不仅与其激发动力过程有关, 还与海脊对其引导作用密切相关。当长周期波浪波长与珊瑚岛礁尺度相近时, 可形成岛礁俘获波。以往的研究通过理论分析和观测资料证实了远海岛礁海域存在着低频长波并对岛礁防护建筑物产生严重影响, 最近的研究则侧重于对大洋海脊导波和岛礁周围长周期波的俘获机理和条件。

1.1 大洋海脊导波

由于海底山脊的引导和放大作用而形成的沿着海脊传播的波浪通常称为大洋导波(ocean guided waves)或俘获波(trapped waves)。Longuet-Higgins (1968)最早提出海脊俘获的问题, 并讨论了台阶型海脊上俘获波的解析理论。随后Buchwald(1969)进一步研究了台阶两侧水深不等的情况。Shaw等(1981)将该理论拓展为阶梯型海脊, 从理论上给出了自由水面、频散关系及截断频率等。然而这些研究针对不连续地形上的俘获波, 其产生是由于波浪折射所致, 而实际海啸波由于波长较长, 海脊地形的变化相对于波长来说是缓慢变化的, 因而当这些俘获波理论应用于实际海啸传播过程时, 会导致较大的误差。
Wang等(2021)将实际海脊剖面简化为h(x)=h0cosh2(λx), 其中x为海脊截面方向, 且x=0为脊顶处, h0为脊顶水深, 参数λ为决定海脊剖面陡度的因子。在该理想海脊上存在着的海脊俘获波波面的时空变化可以表示为
$\eta (x,y,t)=A\operatorname{sech}(\lambda x)\left. \left\{ \begin{matrix} P\left[ \sqrt{\frac{1}{4}+\frac{{{\omega }^{2}}}{g{{h}_{0}}{{\lambda }^{2}}}}-\frac{1}{2},\sqrt{1+{{\left( \frac{{{k}_{y}}}{\lambda } \right)}^{2}}},\tanh (\lambda x) \right] \\ -\frac{2}{\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }}\tan (\mu \text{ }\!\!\pi\!\!\text{ })Q\left[ \sqrt{\frac{1}{4}+\frac{{{\omega }^{2}}}{g{{h}_{0}}{{\lambda }^{2}}}}-\frac{1}{2},\sqrt{1+{{\left( \frac{{{k}_{y}}}{\lambda } \right)}^{2}}},\tanh (\lambda x) \right] \\ \end{matrix} \right. \right\}\exp \left[ i({{k}_{y}}y-\omega t) \right]$
其中η是俘获波波面, ky是频率为ω的俘获波的波数, A为与波幅相关的参数, P和Q分别为第一和二类连带勒让德函数, g表示重力加速度, µ表示连带勒让德函数阶数, t为时间。该俘获波有相对于海脊中线的奇偶对称形状, 其对应的频散关系分别为
${{\omega }^{2}}=g{{h}_{0}}{{\lambda }^{2}}\left( \sqrt{1+{k_{y}^{2}}/{{{\lambda }^{2}}}\;}+2m \right)\left( \sqrt{1+{k_{y}^{2}}/{{{\lambda }^{2}}}\;}+2m-1 \right)$
${{\omega }^{2}}=g{{h}_{0}}\left( \sqrt{{{\lambda }^{2}}+k_{y}^{2}}+2m\lambda \right)\left[ \sqrt{{{\lambda }^{2}}+k_{y}^{2}}+\left( 2m+1 \right)\lambda \right]$
其中m=0,1,2, ……对应不同的模态。
双曲余弦平方型海脊奇偶俘获波的波幅ζ沿海脊剖面分布如图1所示。对于偶对称的俘获波, 其海脊顶端波幅最大, 并向海脊外逐渐减小, 其中模态数m与海脊每侧的波节点个数一致。对于奇模态, 脊顶处波幅始终为零, 在脊顶两侧一定距离分别达到最大值并向海脊外逐渐减小, 其模态数m与海脊每侧的波节点个数仍然一致。如图2所示, 由于海脊俘获波是一种地形强制波, 这从理论上证明了俘获波群速度或能量速度会随角频率的增加而增加, 即周期长的波其群速度或能量速度反而小, 这一发现有别于传统的Airy波或Stokes波理论。
图1 周期T=300s、地形参数λ=0.00009m-1、脊顶水深h0=80m对应的前四个模态奇偶俘获波波幅沿海脊剖面分布

Fig. 1 Normalized wave profiles corresponding to T = 300 s, λ = 0.00009 m-1, and h0 = 80 m for the first four modes over the ridge

图2 奇偶海脊俘获波的相位速度与群速度随频率变化过程

Fig. 2 Variations of phase speed and group speed for trapped waves over odd and even ridges

1.2 岛礁波浪俘获

海啸和气压扰动激发的长周期波浪, 传播至珊瑚岛礁时, 一部分波浪可能会因反射或折射作用被限制在岛礁附近形成俘获波, 严重威胁近岸居民生命财产安全。岛礁俘获波的主要特点体现在其携带的能量集中在岸线附近, 使得岸线处出现波高较大的溯升。这些俘获波常会危及岛上人员的安全, 也会对近岸基础设施造成不同程度的破坏(Yeh et al, 1994; Imamura et al, 1995; Newman et al, 2011; Hill et al, 2012)。
岛礁周围波浪分布特性与地形, 如坡度、形状、尺寸等密切相关, 不同地形参数下, 其波动特性截然不同。基于射线理论, Zheng 等(2017)对指数型圆岛礁周围波浪的传播路径进行理论分析。研究发现, 岛礁周围海域波幅的变化是由各方向的波向线交汇作用的结果(图3), 揭示了不同岛礁地形上大范围波浪的泄露与俘获模式以及波浪完全俘获条件, 建立了岛礁俘获波能量分布与俘获效率定量关系。傅丹娟(2017)针对实际海洋中存在大量群岛的现象, 采用多重散射法, 推导了两个指数型圆岛周围波浪传播的解析解。探讨了不同俘获模态下, 岛礁对长波的掩护效果。
$(\alpha -2){{r}^{\alpha }}+2{{r}_{0}}^{\alpha }>0$
其中α为地形参数, r为整个岛礁区域半径, r0为岛礁出水部分半径。这些研究可用于辨识海洋灾害条件下珊瑚岛礁的受灾风险及最严重的受灾位置, 为防灾减灾措施的制定提供依据。
图3 不同岛礁半径的射线路径分布图与波振幅分布(Zheng et al, 2017)

Fig. 3 The wave rays and amplitude around the islands and reefs with different coastal radius. After Zheng et al (2017)

2 中等尺度的礁坪-潟湖-裂口海岸波流特性

波浪在珊瑚礁地形上的传播过程有别于传统的平直海岸。波浪从远海传播到礁缘处发生破碎并产生增水(Yao et al, 2013), 平均水位先增大后减小, 水位梯度驱动水体产生波生流(Hench et al, 2008)。当珊瑚礁连续时, 向岸的波生流与离岸的海底回流相互平衡, 形成水平一维1DH环流; 当珊瑚礁不连续, 即出现裂口时, 部分波生流流入潟湖经过裂口流向深海, 形成了礁坪-潟湖-裂口系统中的水平二维2DH环流(Hench et al, 2008; Lowe et al, 2009, 2010; Symonds et al, 2011; Taebi et al, 2011, 2012)(图4)。珊瑚礁地形上的水平二维环流对沉积物的移动、营养物质的输送和珊瑚生态系统的平衡具有重要意义(Hearn et al, 2001; Presto et al, 2006)。由于珊瑚岛礁港口航道通常选址在潟湖和裂口中, 研究礁坪-潟湖-裂口2DH系统的波流特性也具有重要的工程价值。
图4 珊瑚礁海岸的近岸环流(Lowe et al, 2015)

msl为平均海平面; qr为礁坪向岸流; qc为裂口离岸流; η(x)指波浪增水

Fig. 4 Nearshore circulation around the coral reef. After Lowe et al (2015)

已有的礁坪-潟湖-裂口海岸波流特性的试验研究, 绝大多数是将珊瑚礁地形概化为由平底斜面和水平平台组成的水平一维断面模型。由于模型比尺的限制, 较少考虑潟湖和裂口的影响, 即忽略了沿岸流和裂流, 使得水流只能通过海底回流的方式回到深海, 这会导致实验测得的波浪增水偏大而波生流偏小。

2.1 礁坪-潟湖-裂口海岸波流特性试验研究

一些学者通过现场测量对礁坪-潟湖-裂口系统的波浪传播变形和波生流进行了研究(Hench et al, 2008; Taebi et al, 2011)。但由于珊瑚礁地形的特殊性和复杂性, 环流与礁坪宽度、裂口尺寸、位置和礁面粗糙度的响应关系尚不明晰。Gourlay(1996a, b)通过水槽试验研究了理想珊瑚礁地形上波浪增减水和波生流与来波条件和水位的变化规律。Demirbilek 等(2007)通过水槽试验研究了风和入射波浪条件对珊瑚礁地形上波浪增水和爬高的影响。物理模型可以通过控制变量, 研究环流与不同因素的响应, 但目前珊瑚礁海岸波生环流的物理模型试验较少, 且大多基于一维水槽, 难以阐明礁坪-潟湖-裂口海岸复杂的二维环流。
Smith等(2012)采用2DH港池实验研究了岛礁地形上波浪的传播、增水和爬高过程, 但其实验裂口尺度较小, 也没有潟湖的存在, 未能很好复演礁坪-潟湖-裂口系统的波流特性。Zheng 等(2020)依据现场地形在综合波流港池中建立了珊瑚礁海岸礁坪-潟湖-裂口系统的整体物理模型(图5), 研究了珊瑚礁海岸的波生环流分布特征。实验结果显示最大增水出现在礁坪中部, 向潟湖降低(图6), 该水位梯度是向岸波生流的驱动力。在礁坪-潟湖-裂口系统中存在水平二维的波生环流(图7), 其中, 礁坪和裂口的水位梯度引发的沿岸流量占裂口离岸总流量的20%~40%, 这构成了考虑礁坪-裂口之间的水体交换的新型波生环流模式。采用同一个实验的数据, Yao 等(2020)分析了珊瑚礁海岸礁坪-潟湖-裂口系统中的波浪传播变形特征, 发现由于自裂口向礁坪-潟湖的波浪折射引起局部波浪聚集, 显著增大了礁坪后方短波爬高。次重力波频带中存在接近共振频率的峰值, 共振随周期增大而更为显著。长波共振是导致次重力波最大波高出现在礁坪后中部的原因之一。目前已开展过的礁坪-潟湖-裂口系统波流特性的研究还较为有限, 不同的三维地貌形态、礁坪糙率和波浪入射方向等因素的影响仍然需要借助港池实验或先进的数值模型进一步研究。
图5 礁坪-潟湖-裂口系统的整体物理模型试验布置图

Fig. 5 Sketch of the 2DH reef-lagoon-channel system in the wave-current basin

图6 礁坪-潟湖-裂口系统中的波高和增水分布(Zheng et al, 2020)

H0为入射波高, T为入射波浪周期, hr为礁坪水深

Fig. 6 Variations of wave height and mean sea level in the reef-lagoon-channel system. After Zheng et al (2020)

图7 礁坪-潟湖-裂口系统中的波生流分布(Zheng et al, 2020)

Fig. 7 Wave-driven horizonal currents in the reef-lagoon- channel system. After Zheng et al (2020)

2.2 珊瑚岛礁海岸波浪传播的非静压数值模拟

珊瑚岛礁海岸礁前通常为陡峭的斜坡且礁面粗糙, 波浪在礁前斜坡的非线性演化比平直海岸明显增强。礁前斜坡上水深急剧变化, 波浪浅化、破碎、增水、高低频波能转移等物理过程集中发生, 使得波浪水动力过程异常复杂。珊瑚岛礁海岸水动力过程的研究需要数值模型具备模拟从深水至浅水的波浪传播变形全过程和近岸精细水流结构的能力。
水深剧烈变化的珊瑚岛礁海岸动力过程的精确模拟存在三个主要挑战。一是岛礁区域水动力过程复杂, 数值模拟存在困难。岛礁海岸水深急剧变化、不同尺度波流共存、波浪破碎剧烈、波浪非线性强等特点, 需要模型具备模拟任意水深波浪在陡坡地形上传播的能力, 目前仍尚无一套数值模型可完整描述。二是岛礁海岸底部粗糙度大, 尚无合理数值表达式。数学模型中一般是在动量方程中添加阻力项, 通过底摩阻系数体现底部糙率对水流和波浪的影响。但珊瑚礁海岸底部糙率大、可渗透的特性, 使得阻力公式表达式和系数选择都与传统海岸存在明显差异, 目前尚无统一的计算公式。三是多数模型都是针对传统海岸开发, 模型本身的假定和计算效率限制了在岛礁海岸的应用。如浅水波方程采用静压假定, 无法描述波浪在陡变地形上的剧烈运动过程; Boussinesq模型由于理论限制仍然无法适用于深水波浪的高效模拟; 传统基于Naiver-Stokes(N-S)方程的三维数值模型虽然可以精确描述大多数波动现象, 但其计算效率较低, 因而无法应用于大范围模拟(时健 等, 2017)。
非静压模型是一类直接求解N-S方程的模型, 具备全频散波浪模拟能力, 适合从深水至浅水波浪传播变形的全过程模拟。而且非静压模型假设自由表面为单值函数, 自由表面可以通过连续方程和运动学边界条件垂向积分得到, 比传统的N-S方程模型计算效率高, 适用于岛礁海岸水动力过程模拟。
非静压模型通过增加垂向分层的方式提高模型色散性和非线性模拟能力, 多采用并行技术MPI(Message Passing Interface)提高计算效率, 但在运行大范围三维算例时, 网格数还是较多, 计算较为耗时。非静压模型计算效率低的主要原因是在模型计算过程中, 求解泊松方程占用机时较多, 可达总时间的 30%~50%。为提高非静压模型的计算效率, 主要从提高非静压模型计算精度和简化模型求解泊松方程求解两个方面开展研究。王岗 等(2015)通过泰勒展开欧拉方程, 建立了水平方向空间导数最高为二阶的新型非静压波浪模型。新非静压波浪模型在空间垂向一层即可应用于kd≤π(k为波数, d为水深)的范围, 空间两层可达到kd≤4π的范围, 而空间三层可达到kd≤10π的范围(图8), 从而使模型采用较少的垂向分层即可模拟深水高频波浪的运动, 减少了模型计算量。Shi等(2015)提出了PDI(Pressure Decimation and Interpolation method)方法提高非静压模型计算效率, 并将PDI方法应用于驻波及密度流的模拟中, 发现该方法可在不影响计算精度的前提下, 显著提高非静压模型的计算效率。当计算泊松方程的垂向网格数减少为动量方程网格数的1/10时, 计算结果与全网格模型计算结果一致, 计算时间可减少80%以上。
图8 不同模型相位速度与理论值对比(Wang et al, 2019)

绿色线为新非静压波浪模型

Fig. 8 Comparison of phase speed values from different models and wave theory. The green line is the result given by the new non-hydrostatic model. After Wang et al (2019)

Shi等(2018)应用非静压模型NHWAVE模拟了有无礁冠两种情况下波浪在岛礁地形上的传播变形过程, 结果显示礁冠的存在使礁坪上的波浪增水显著增大, 并减小了破波带范围。分析紊动强度(图9)和能量耗散结果, 表明礁冠的存在显著增加了波浪破碎时的紊动强度和能量耗散, 最大能量耗散率受礁冠影响提高了4.5倍。Ma等(2014)模拟了南海太平岛礁坪次重力波的产生, 认为珊瑚的退化加剧了次重力波的产生。Lashley等(2018)采用XBeach模型研究了岛礁海岸剖面波浪增水, 但由于模型中未考虑破碎水滚机制, 结果低估了波浪爬高。
图9 珊瑚礁地形上波浪破碎紊动动能的非静压模拟结果(Shi et al, 2018)

Fig. 9 Snapshots of instantaneous turbulent intensity for wave breaking on reef flat simulated by NHWAVE model. After Shi et al (2018)

总的来说, 非静压模型已经证明可以较好地模拟珊瑚岛礁海岸的主要水动力过程, 而面向实际工程应用的模型计算效率改进和底床大粗糙度影响的数学描述将是下一阶段模型发展的重点。

3 建筑物前沿的局部波流特性及结构响应

岛礁防浪建筑物所处的地理环境与近岸缓坡地形十分不同, 波浪未经过浅水的变形和衰减直接作用在礁缘的陡坡上, 现行规范中建筑物前沿的水深与波高的关系、底坡坡度等适用条件均不满足。因此, 最近的研究集中于陡变平台地形上的局部波流特性以及建筑物的影响。

3.1 珊瑚礁海岸防浪建筑物前沿的波浪传播变形

国内外学者对珊瑚礁海岸波浪的传播变形规律开展了大量研究, 水槽实验是常用的研究手段。Gourlay(1996a, b)研究了不同水位对规则波增水和波生流的影响, 发现不同水位条件下礁坪水动力的控制因素并不相同: 当礁坪水深较大时, 礁坪增水和波生流主要受底摩阻控制; 当平均水位等于或低于礁坪时, 礁坪水动力受礁缘波浪破碎的控制。张庆河 等(1999)将珊瑚礁地形简化为台阶地形, 研究了规则波在台阶地形上的破碎规律, 建立了判断波浪破碎、破碎带宽度及波能衰减规律的经验公式。Demirbilek 等(2007)研究了风和不规则波耦合作用下礁坪增水特征和礁后斜坡的波浪爬高特性。Yao 等(2012)利用物理模型实验研究了礁坪水深和礁前斜坡坡度对波浪破碎特征的影响。梅弢 等(2013)根据实测坡度模拟礁前斜坡, 分析了礁坪上的波浪沿程传播变形规律。姚宇 等(2015)在物理模型实验中考虑礁冠的影响, 研究了礁冠的存在对礁坪上波浪沿程分布和增水的影响。
这些物理模型实验均针对天然岛礁地形进行简化, 未考虑防浪建筑物等筑堤珊瑚岛礁的人工设施的影响。由于波浪水槽尺度的限制, 常规水槽往往只能模拟实际20~30m的礁前水深, 难以模拟波浪从上百米的深水区经礁前斜坡传播至礁坪浅水区的过程。陈松贵 等(2019a)在长456m、宽5m、高12m的大比尺波浪水槽中开展试验, 模拟了珊瑚礁海岸波浪从深水至礁坪浅水的传播变形过程。试验发现珊瑚礁海岸的浅水变形系数与现行《海港水文规范(JTS 145-2-2013)》的计算值存在明显不同。陡变地形上的浅水变形系数小于规范计算值, 在一定范围内, 浅水变形系数与相对水深正相关, 这与规范中其随相对水深减小而增大的趋势相反。此外, 当相对水深相同时, 绝对水深越小, 浅水变形系数的量值越大(图10)。
图10 珊瑚礁海岸波浪浅水变形系数Ks(H′/H0)与相对水深(d/L0)的关系(陈松贵 等, 2018)

H′、H0分别为测点波高与入射波高; d为水位值, L0为入射波长

Fig. 10 Relationship between wave deformation coefficient Ks in shallow water and relative water depth. After Chen et al (2018)

大比尺水槽实验还发现, 当礁坪水深较大, 入射波波高和周期较小时, 波浪在礁坪上以卷破波的形式破碎; 随着礁坪水深减小, 入射波波高和周期增大时, 波浪逐渐从卷破波的破碎形式转变成激破波的形式在礁缘处发生破碎。在很多组次中, 计算得到的Irribarren 碎波指标小于0.5表示为崩破波, 但实际观测到的是卷破波。这表明传统基于缓坡地形的Irribarren 碎波指标无法描述礁前陡变地形上的波浪破碎, 需要进一步改进。波浪在礁缘破碎后, 波浪能量从高频向低频转移(图11)。波群中不同波浪组分破碎位置的变化, 在礁坪上产生周期大于10倍入射波周期的长周期的波动, 越靠近防波堤, 水位的壅高越显著, 长波波幅越大。与以往的小水槽实验不同, 大比尺波浪水槽实验可以最大程度上减小比尺效应的影响, 因而得到的结果应与实际更为接近。已有的观测结果也表明, 珊瑚礁海岸防浪建筑物前沿的波浪传播变形与基于其他海岸类型的现行规范存在诸多差异, 进一步比较不同尺度水槽的实验结果和量化珊瑚礁海岸波浪运动的比尺效应可为今后的实验研究提供参考。
图11 珊瑚礁地形上不同位置的波谱 (陈松贵 等, 2018)

Fig. 11 Wave spectrum at different locations of a coral reef. After Chen et al (2018)

3.2 珊瑚礁海岸防浪建筑物越浪量

珊瑚岛礁工程建设带来了珊瑚礁海岸波流动力与岛礁防浪建筑物相互作用问题。从整体上看, 岛礁防浪建筑物改变了岸线边界、减小了礁坪面积、束窄了过水通道宽度, 这会显著影响波浪和水流的输移路径, 降低潟湖纳潮量和水体交换率, 引起礁坪-潟湖-裂口动力地貌系统的剧烈响应。同时, 由于防浪建筑物的阻挡, 减少了礁坪上波流传播与能量耗散距离, 使得波流动能在建筑物前沿转化为势能, 产生阻水效应, 这显著增加了建筑物前沿水位, 对工程安全产生了不利影响(Chen et al, 2017)。已有的防浪建筑物与波流动力相互作用研究适用于缓坡地形, 而珊瑚礁海岸地形陡变(i=1/8~1/0.5, 其中i为底坡坡度)、礁坪水深极浅(h<0.5H, 其中h和H分别为礁坪上的水深和波高), 均超出《海港水文规范(JTS 145-2-2013)》的适用范围。
陈松贵 等(2019b)利用大比尺波浪水槽, 开展了比尺1∶15的珊瑚礁海岸防浪建筑物越浪量实验(图12), 发现防浪建筑物越浪量除受建筑物类型、设计波浪要素、设计水位和底坡影响外, 受礁缘与建筑物之间的距离的影响也很明显。基于实验结果得到越浪量随波浪要素、礁坪水深和建筑物位置的指数型变化规律(图13), 建立了考虑了周期、礁坪水深和防波堤与礁缘之间距离的无量纲越浪量公式:
${{q}_{T,S,h}}=\frac{Q}{\sqrt{gH_{i}^{3}}}\frac{{{H}_{i}}}{g{{T}^{2}}}\frac{s}{T\sqrt{g{{h}_{e}}}}=1.279\exp (-5.791\frac{{{R}_{\text{c}}}}{{{H}_{i}}})$
其中${{q}_{T,S,h}}$表示无量纲越浪量, Q表示越浪量, ${{R}_{\text{c}}}$表示干舷高度, ${{H}_{i}}$表示入射波高, T表示周期, s表示礁缘与胸墙的距离, he表示礁缘水深。公式(5)的计算结果与实验数据的对比满足95%置信区间, 鉴于《海港水文规范(JTS 145-2-2013)》给出的计算公式只适用于传统海岸的缓坡地形, 公式(5)可为珊瑚礁海岸的防浪建筑物设计提供可靠方法。
图12 珊瑚礁地形上直立式防浪堤越浪大水槽实验

Fig. 12 Experiment on wave overtopping of a vertical seawall on coral reefs in large wave flume

图13 相对干舷高度对考虑了距离、周期和水深的无量纲平均越浪量的影响(陈松贵 等, 2019b)

Fig. 13 Effect of relative freeboard height on dimensionless mean overtopping discharge considering the influences of distance, period and water depth. After Chen et al (2019b)

3.3 珊瑚礁海岸防浪建筑物胸墙波浪力

防浪建筑物胸墙波浪力的分布特征及其对建筑物稳定性的影响是工程设计的重要考虑因素, 许多学者研究了不同护面形式的波浪力计算方法。Chu(1989)研究发现当有冲击性破碎波作用时, 合田公式得到的结果有时偏低。琚烈红(2004)通过物理模型试验发现直立式胸墙上的波压力为非均匀分布, 波浪冲击位置波压力为最大值, 且在一定范围内, 波压力量值变化较小, 超过这一范围, 波压力逐渐减小。王颖 等(2007)对比了试验测量的胸墙波浪力和《海港水文规范(JTS 145-2-2013)》计算结果的差异, 发现实测结果远大于规范公式计算结果。柳玉良 等(2010)研究了护面块体掩护下斜坡堤胸墙波浪力的折减情况, 试验结果与规范中相关公式的计算结果存在较大差异, 当采用扭王字块掩护时折减系数大于规范计算值。
这些研究成果已在近岸缓坡地形上防浪建筑物的胸墙波浪力计算中广泛应用, 但岛礁防浪建筑物所处波流环境明显不同, 规范公式中建筑物前沿水深与波高的关系、底坡坡度等适用条件均不满足。陈松贵 等(2019c)利用大比尺波浪水槽实验, 研究了岛礁防浪建筑物上波压力的时空分布。如图14所示, 与传统海岸防波堤所受三角形分布水平波压力不同, 珊瑚礁海岸直立堤所受波压力呈现近似矩形分布。这是由于礁坪上水深较浅, 波浪破碎后难以维持波浪形态, 而是转化成一股紊动强烈、速度很快的破波水流, 对防浪建筑物产生巨大冲击力, 使得波压力垂向分布更为均匀。实验还发现由于波浪在珊瑚礁地形上的破碎能量耗散较强, 实测水平力和浮托力均小于采用外海入射波要素得到的计算值。据此, 对现行规范的胸墙波浪力计算公式进行了修正, 提出与建筑物和礁缘距离和礁坪相对水深有关的修正系数:
$\begin{align} & {{K}_{s}}=1.41\exp [-1.7{{(\frac{s}{{{L}_{0}}})}^{2}}];0\le s/{{L}_{0}}<1 \\ & {{K}_{h}}=0.43\frac{h}{{{H}_{0}}}+0.8;0\le h<{{H}_{0}}/2 \\ \end{align}$
其中Ks、Kh 为胸墙波浪力计算的无量纲参数, s表示礁缘与胸墙的距离, L0和H0表示深水波长和波高, h表示礁坪水深。修正后波浪平均水平力和前趾浮托力计算结果较现有规范计算值更为准确, 平均水平力偏差在5%以内, 前趾浮托力偏差在10%以内, 可用于珊瑚礁海岸防浪建筑物的波浪力精确计算和结构设计维护。
图14 不同组次的珊瑚礁海岸防浪建筑物胸墙最大波压强(单位: kPa)分布 (陈松贵 等, 2019c)

Fig. 14 Distribution of maximum wave pressure (units: kPa) on the seawall over a coral reef coast. After Chen et al (2019c)

4 结语及讨论

波流运动特性研究对于珊瑚岛礁海岸利用与保护、防灾减灾和基础设施安全具有重要意义。近年来, 大范围大洋海脊导波与岛礁波浪俘获、中等尺度的礁坪-潟湖-裂口系统波流特性、建筑物前沿的局部波流特性及结构响应等不同空间尺度中的过程和机制等方面的研究都取得了进展, 今后需要深入研究的重点内容包括:
1) 礁坪-潟湖-裂口海岸的水动力-珊瑚砂-生物过程耦合效应。已有研究大多集中在礁坪-潟湖-裂口海岸的水动力过程, 而对于水动力所驱动的珊瑚砂输运、海床地形演变、营养物质循环、海水温度盐度和水质变化及其生态环境影响的研究仍十分欠缺。探索珊瑚岛礁海岸的水动力-珊瑚砂-生物过程耦合效应, 特别是研究波流共同作用下和大粗糙度礁床形态影响下的珊瑚砂运动特性、潟湖和裂口的珊瑚砂交换机制与港口航道冲淤规律、流场温度盐度和悬沙浓度对珊瑚群落的营养盐吸收和生长健康状态的影响及其阈值、天然珊瑚礁发育/退化和人工珊瑚礁体稳定与水沙运动的相互作用机理等, 对于珊瑚岛礁海岸的港口航道维护、生态环境保护、珊瑚人工移植和礁体修复等都具有重要意义。
2) 珊瑚岛礁海岸灾害的致灾机制与建筑物防护。已有研究针对理想条件下海脊和岛礁对长周期波的引导和俘获机理方面取得了一些理论成果, 也建立了岛礁防浪建筑物前沿波浪变形、越浪量和波浪力的经验计算方法, 但对于全球气候变化下多源水灾害对岛礁海岸及建筑物的作用机制和防护方法研究仍存在不足。今后需要在进一步了解海平面上升背景下大洋海啸、台风等灾害风险变化的基础上, 深入研究大范围俘获波与礁坪、潟湖或港池的水体共振机制, 探讨极端风暴条件下长波-短波-增水的能量转化规律及其对岛礁淹没和建筑物稳定的耦合作用机理, 研究新型防浪建筑物的护岸型式及其水动力响应和基础冲刷机理, 探索珊瑚礁生态修复和防灾减灾协同增效的柔性消浪工法, 为珊瑚岛礁海岸防灾减灾和基础设施安全保障提供更充分的科学依据。
3) 珊瑚礁海岸动力的多学科融合的现场观测和模拟技术。珊瑚岛礁海岸多尺度复杂水动力过程对现场观测、物理模型试验和数值模拟技术都提出了更高要求。由于礁坪水深较浅, 传统的波浪浮标等观测手段难以施测, 需要发展如数字影像系统、激光雷达、高精度卫星遥感等非接触式技术进行现场观测。物理模型中未来应考虑更符合珊瑚岛礁地形特性的制模方法, 如3D打印制作珊瑚岛礁地形和实现复杂礁床粗糙度的仿真, 同时需要采用大型波浪水槽和港池实验减弱比尺效应。数值模型的选择应充分考虑效率和精度的平衡, 以期采用更优的计算机时获得更大范围的精细化模拟结果。

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